可見光通信與室內定位技術詳解

　　一、可見光通信

　　1、可見光通信概述

　　可見光通信技術 （Visible Light communication），其原理是將需要傳輸的信息編碼成一段特殊信號，用某種調制方法將這個信號附加到LED燈具的驅動電流上，使LED燈具以極高的頻率閃爍。雖然人眼看不到這種閃爍，但是通過光敏設備可以檢測到這種高頻閃爍并將其還原為要傳輸的信息，從而通過燈具完成信息傳輸的目的。白光通信具有保密性強，不占用無線信道資源，由于照明燈具的大量存在，這種技術可以集成到廣大燈具中。

　　2、可見光通信發展現狀

　　早在2000年，日本慶應大學的Tanaka等人和SONY計算機科學研究所的Haruyama就提出了利用LED燈作為通信基站進行信息無線傳輸的室內通信系統。經過近些年的發展，國內外相關科研機構及商業公司提出了一系列解決方案及實際系統。同時可見光的商用步伐也在不斷向前，國內有華策光通信的室內可見光定位導航系統，國際上美國的Bytelight公司也有一套類似的室內可見光定位導航系統；在14年的國際消費電子展（CES）期間，法國Oledcomm公司演示了可以實現光通信技術的手機設備，技術人員將智能手機的前置攝像頭改裝成光線感應器，讓觀眾親眼見證LiFi光通信技術，傳輸速率約為10Mpbs。目前該公司網站上已有相關可見光通信套件出售。

　　3、可見光通信應用領域

　　雖然可見光通信這一名詞我們是耳熟能詳了，但具體到它的應用領域，卻未必都知曉。其主要四大應用領域有：

　　1）照明與通信，信息可以在室內環境下進行廣播，并同時滿足照明的需求，這是最直觀的應用場景；

　　2）視覺信號與數據傳輸，信號燈主要通過顏色的變化來給人們提供信號，而將數據通信與信號燈相結合則可以為交通管理提供更好的安全可靠性，也大大擴展了信號燈的功能；

　　3）顯示與數據通信，LED顯示屏通常用于顯示信息，如果將相應的信息和數據直接傳輸給用戶手持終端，將會提供很大便利，在火車站、機場等場所有著巨大的應用前景，這是一種直接使用屏幕的數據傳輸與交互方式；

　　4）室內定位，可見光通信可以將用戶的位置信息通過照明設施來進行傳遞，較傳統衛星定位更為精準，而這個方案較現有的其他室內定位方案的最大優勢是不用投入大量定位基礎設施，節省了定位系統的成本。

　　二、室內定位技術

　　1、室內定位概述

　　在室內環境無法使用衛星定位時，使用室內定位技術作為衛星定位的輔助定位，解決衛星信號到達地面時較弱、不能穿透建筑物的問題。最終定位物體當前所處的位置。

　　室內定位是指在室內環境中實現位置定位，主要采用無線通訊、基站定位、慣導定位等多種技術集成形成一套室內位置定位體系，從而實現人員、物體等在室內空間中的位置監控。

　　2、室內定位技術

　　1、Wi-Fi技術

　　通過無線接入點（包括無線路由器）組成的無線局域網絡（WLAN），可以實現復雜環境中的定位、監測和追蹤任務。它以網絡節點（無線接入點）的位置信息為基礎和前提，采用經驗測試和信號傳播模型相結合的方式，對已接入的移動設備進行位置定位，最高精確度大約在1米至20米之間。如果定位測算僅基于當前連接的Wi-Fi接入點，而不是參照周邊Wi-Fi的信號強度合成圖，則Wi-Fi定位就很容易存在誤差（例如：定位樓層錯誤）。

　　另外，Wi-Fi接入點通常都只能覆蓋半徑90米左右的區域，而且很容易受到其他信號的干擾，從而影響其精度，定位器的能耗也較高。

　　2、藍牙技術

　　藍牙通訊是一種短距離低功耗的無線傳輸技術，在室內安裝適當的藍牙局域網接入點后，將網絡配置成基于多用戶的基礎網絡連接模式，并保證藍牙局域網接入點始終是這個微網絡的主設備。這樣通過檢測信號強度就可以獲得用戶的位置信息。

　　藍牙定位主要應用于小范圍定位，例如：單層大廳或倉庫。對于持有集成了藍牙功能移動終端設備，只要設備的藍牙功能開啟，藍牙室內定位系統就能夠對其進行位置判斷。

　　不過，對于復雜的空間環境，藍牙定位系統的穩定性稍差，受噪聲信號干擾大。

　　3、紅外線技術

　　紅外線技術室內定位是通過安裝在室內的光學傳感器，接收各移動設備（紅外線IR標識）發射調制的紅外射線進行定位，具有相對較高的室內定位精度。

　　但是，由于光線不能穿過障礙物，使得紅外射線僅能視距傳播，容易受其他燈光干擾，并且紅外線的傳輸距離較短，使其室內定位的效果很差。當移動設備放置在口袋里或者被墻壁遮擋時，就不能正常工作，需要在每個房間、走廊安裝接收天線，導致總體造價較高。

　　4、超寬帶技術

　　超寬帶技術與傳統通信技術的定位方法有較大差異，它不需要使用傳統通信體制中的載波，而是通過發送和接收具有納秒或納秒級以下的極窄脈沖來傳輸數據，可用于室內精確定位，例如：戰場士兵的位置發現、機器人運動跟蹤等。

　　超寬帶系統與傳統的窄帶系統相比，具有穿透力強、功耗低、抗多徑效果好、安全性高、系統復雜度低、能夠提高精確定位精度等優點，通常用于室內移動物體的定位跟蹤或導航。

　　5、RFID技術

　　RFID定位技術利用射頻方式進行非接觸式雙向通信交換數據，實現移動設備識別和定位的目的。它可以在幾毫秒內得到厘米級定位精度的信息，且傳輸范圍大、成本較低；不過，由于以下問題未能解決，以RFID定位技術的適用范圍受到局限。

　　6、ZigBee技術

　　ZigBee是一種短距離、低速率的無線網絡技術。它介于RFID和藍牙之間，可以通過傳感器之間的相互協調通信進行設備的位置定位。這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數據從一個傳感器傳到另一個傳感器，所以ZigBee最顯著的技術特點是它的低功耗和低成本。

　　7、超聲波技術

　　超聲波定位主要采用反射式測距（發射超聲波并接收由被測物產生的回波后，根據回波與發射波的時間差計算出兩者之間的距離），并通過三角定位等算法確定物體的位置。

　　超聲波定位整體定位精度較高、系統結構簡單，但容易受多徑效應和非視距傳播的影響，降低定位精度；同時，它還需要大量的底層硬件設施投資，總體成本較高。

　　3、室內定位的應用領域

　　1、基于2維定位或3維定位的VR主題游戲樂園

　　目前國內已經落地的有北京的身臨其境公司，其定位技術提供商是北京的清研訊科團隊。其團隊提供的UWB技術的定位精度在10CM左右。非常棒的一家公司。另外就是HTC VIVE所使用的光學室內定位。游戲這個東西對體驗的要求很高，如果定位技術提供的精度不夠高，玩家在使用中會產生強烈的暈眩感，這就讓這種方式的游戲根本無法得到消費級市場的認同。而之前傳統的定位技術比如WIFI定位，藍牙定位，因為其技術每單位成本的所提供的精度有局限性，因此根本無法滿足室內游戲定位的需求。這也是室內定位技術最近才開始用于游戲定位的原因之一。

　　2、應用領域是安防

　　比如消防人員進入現場救火，為了確保消防人員的人身安全，在其制服上按上定位的紐扣，來使消防人員現場救援的可視化；再比如在公共場所的恐怖襲擊或者突發災難，由于公共場所的后臺指揮地需要和現場人員有比較好的前后臺配合，用上室內定位技術讓后臺指揮實時了解現場人員的動向，以此來讓現場人員應對更及時有效。

　　3、應用領域應該是工業流水線

　　也就是所謂的工業4.0。具體的用處就是通過室內定位技術讓整個生產流程可視化，可追蹤化。具體例子可以看看Ubisense的Regensburg寶馬工廠的案例Ubisense ：： Ubisense boosts productivity at BMW。

　　4、應用領域和安防有關

　　比如機場。當然不是說機場的室內導航，這種應用非常的邊緣化，因為你在機場里找不到路，你找個人問問不就得了，看嘛死命看手機呢？機場的室內定位技術未來應該會大量被運用在可疑物品跟蹤上面。比如機場人員發現了個可疑物品，但是一時半會兒并不能確認它是炸彈還是什么，放行又害怕，扣下又怕被投訴。那么這個時候，在箱體上貼上一個軟TAG，利用室內定位技術進行跟蹤，只要系統發現該物品進入了不該進入的區域，立刻報警，那么這個技術還是有使用價值的。

　　5、應用領域監獄或者醫院

　　因為監獄里有許多人可能會自殺，為了防止他們自殺，一般就是需要強迫他們任何一個人不能單獨在一個地方不收人監管，但是總會有看管不嚴的時候。室內定位技術，會在每個犯人手上上一個不可拆卸的手環，只要系統檢查到有人單獨在一個房間里停留時間過長，系統就會報警，通知獄警了。醫院同理，你找不到醫生的時候就知道這個東西有多需要了。